电子与信息工程毕业论文：基于TEA1733绿色开关电源的设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于 TEA1733 绿色开关电源的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要电源是电子设备最重要的组成部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性能，而且设备故障的百分之六十来自于电源。因此，电源的质量越来越受到人们的重视。随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著成果。节约能源，减少温室气体的排放，不光是节约了成本，更重要的是保护了我们的地球，保护了人类的身体健康。开关电源已经广泛应用于家用电器、工农业生产、通

2、讯、航天航海等各个领域。因此设计绿色开关电源正是适应了节能减排的需求。此文中分析设计了一种电流模式控制 PWM 型开关电源电路。它采用 TEA1733 控制芯片，利用反激式拓扑结构电流模式控制实现系统的稳定。该电路可实现 19.3V 稳压功能；开关频率为 100kHz，最大占空比为 80内置过流过压保护功能；工作温度范围为-25+85。论文基于反激式拓扑结构特点及电流模式控制开关电源的基本原理，提出了电路整体结构设计，并详细分析了整体电路在不同负载下应用的工作原理。接着根据整体电路功能要求完成子电路的设计与仿真，主要包括频率抖动电路、振荡器、过压保护、前沿消隐、过温保护、主触发器模块和辅助电源

3、电路。最后，在整体电路的仿真中对正常负载，轻负载和重负载等功能进行了仿真验证。在结论中，对所作的工作进行了详细的总结。关键词：绿色;开关电源；tea1733IIABSTRACTThe power electronic equipment, the most important part of the direct impact on the quality of the electronic equipment, and reliable performance of equipment malfunction sixty percent from power. Thus, the power

4、 supply quality more and more attention by people. Along with the development of the power electronic technology and the new power components appear constantly, switch power technology have developed rapidly, in computer, communication, electric power, household appliances, aerospace and other areas

5、 to be widely applied, have achieved remarkable results. To save energy and reduce greenhouse gas emissions, not just to save the cost, the more important is to protect our earth, protect human health. Switching power supply has been widely used in home appliances, industrial and agricultural produc

6、tion, communication, aviation and navigation, etc. Therefore design green switching power supply is adapted to the demand of energy conservation and emissions reduction. This analysis and design of a current mode control PWM switch power supply circuit. It USES TEA1733 control chip, using the separa

7、te-excited topology current mode control implement system stable. This circuit voltage 19.3 V can realize function ; Switching frequency for 100 KHZ, maximum occupies emptiescompared have built-in flows for 80% pressure protection function; Working temperature range is 85 + 25 . Based on topology st

8、ructure flyback type characteristic and the current mode control switch power supply, and puts forward the basic principle of the whole structure design, and circuit are analyzed in detail in the whole circuit under different load applied principle of work. Then according to the whole circuit functi

9、ons required to perform the son circuit design and simulation, mainly including frequency jitter circuit, oscillator, over-voltage protection, frontier vanishing, thermal protection, the main trigger module and auxiliary power supply circuit. Finally, the simulation of the whole circuit of normal lo

10、ad, light load and functions such as re-load simulated. In conclusion, the work of a detailed summary. Keywords: Green; Switch power source; Tea1733 III目 录前言 .1第 1 章 绪论 .4第 2 章 DC-DC 开关电源的原理和分析 .62.1 开关电源基本构成 .62.1.1 开关电源的控制结构 .62.1.2 开关电源的构成原理 .62.2 DC-DC 开关电源分类 .72.3 基本拓扑结构 .82.3.1 降压型(buck)拓扑结构 .

11、82.3.2 升压型(boost)拓扑结构 .92.3.3 升降压型(Buck-Boost)拓扑结构 .92.4 PWM 控制模式 .102.4.1 电压型 PWM 控制模式 .112.4.2 电流型 PWM 控制模式 .12第 3 章 TEA1733 芯片介绍 .143.1 概述 .143.2 特性 .143.3 功能框图 .153.4 引脚信息 .153.5 固定频率返驰转换器 .163.6 待机模式 .17第 4 章 主要模块电路的设计 .184.1 TEA1733 芯片功能 .184.1.1 启动和欠压锁定 .184.1.2 振荡器 .184.1.3 占空比的控制 .194.1.4 谷

12、值转换技术 .194.1.5 去磁化技术 .194.1.6 保护 .194.2 主要电路设计 .204.2.1 电路的总体简介 .204.2.2 基于 TEA1733 的开关电源流程图 .20IV4.2.3 开关电源原理图 .204.2.4 各部分电路具体分析 .214.3 电路仿真分析 .22小结 .23致谢 .24参考文献 .25附录 1 基于 TEA1733 绿色开关电源实物图 .261前言开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都

13、随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。 【1】 随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。现如今开 关 电 源 产 品 广 泛 应 用 于 工 业 自 动化 控 制 、 军 工 设 备 、 科 研 设 备 、 LED 照 明 、 工 控 设 备 、 通 讯 设 备 、 电 力 设 备 、 仪 器 仪 表 、医 疗 设 备 、 半 导 体 制 冷 制 热 等 领 域 。 绿色电器的辐射度、噪音度、含氟量等都要在环保标准范围内。

14、如彩电，要求规格在 29英寸以上，产品照射率（X 射线）不超过每小时 0.07 毫伦，在此范围内不会对人体造成伤害。电视的包装不得使用环保避用材料。绿色冰箱、冰柜要求制冷发泡系统不再消耗含氟物质，制冷系统处于无氟状况，这样使用时，既不会时常出现漏氟带来的麻烦，又不会因氟泄露造成对大气层的污染。 【2】1955 年 美 国 罗 耶 （ GH.Roger)发 明 的 自 激 振 荡 推 挽 晶 体 管 单 变 压 器 直 流 变 换 器 ， 是 实现 高 频 转 换 控 制 电 路 的 开 端 ， 1957 年 美 国 查 赛 （ Jen Sen)发 明 了 自 激 式 推 挽 双 变 压 器 ，

15、1964 年 美 国 科 学 家 们 提 出 取 消 工 频 变 压 器 的 串 联 开 关 电 源 的 设 想 ， 这 对 电 源 向 体 积 和 重量 的 下 降 获 得 了 一 条 根 本 的 途 径 。 到 了 1969 年 由 于 大 功 率 硅 晶 体 管 的 耐 压 提 高 ， 二 极 管反 向 恢 复 时 间 的 缩 短 等 元 器 件 改 善 ， 终 于 做 成 了 25 千 赫 的 开 关 电 源 。 从 此 ， 开 关 电 源飞 速 发 展 。 【 3】在 经 历 了 2003 年 和 2004 年 的 高 速 发 展 之 后 ， 2005 年 全 球 半 导 体 市 场

16、 发 展 趋 缓 ， 其中 电 源 管 理 芯 片 实 现 销 售 额 902 亿 美 元 ， 同 比 增 长 8.9%， 远 低 于 2004 年 26.1%的 增 长率 。 尽 管 如 此 ， 面 向 便 携 式 电 子 产 品 的 电 源 管 理 市 场 一 直 是 片 热 土 ， 终 端 产 品 的 持 续 走 销 ，使 得 电 源 管 理 芯 片 市 场 水 涨 船 高 。 根 据 市 场 调 研 公 司 CIR 的 预 测 报 告 ， 面 向 便 携 式 应 用的 电 源 市 场 在 2008 年 攀 升 72 亿 美 元 。 日 前 ， 德 国 英 飞 凌 PWMIC 事 业 部

17、 高 级 主 管 Anton Riedhammer 预 测 ， 电 源 管 理 芯 片 IC 产 业 今 年 的 增 长 空 间 预 期 为 15-18%， 这 比 整 个 半 导体 产 品 总 体 预 估 增 长 5-10%的 指 标 高 出 不 少 。随 着 电 力 电 子 技 术 的 高 速 发 展 ， 电 力 电 子 设 备 与 人 们 的 工 作 、 生 活 的 关 系 日 益 密 切 ，而 电 子 设 备 都 离 不 开 可 靠 的 电 源 ， 进 入 80 年 代 计 算 机 电 源 全 面 实 现 了 开 关 电 源 化 ， 率 先完 成 计 算 机 的 电 源 换 代 ， 进

18、 入 90 年 代 开 关 电 源 相 继 进 入 各 种 电 子 、 电 器 设 备 领 域 ， 程 控交 换 机 、 通 讯 、 电 子 检 测 设 备 电 源 、 控 制 设 备 电 源 等 都 已 广 泛 地 使 用 了 开 关 电 源 ， 更 促 进了 开 关 电 源 技 术 的 迅 速 发 展 。 【 4】 开 关 电 源 是 利 用 现 代 电 力 电 子 技 术 ， 控 制 开 关 晶 体 管 开通 和 关 断 的 时 间 比 率 ， 维 持 稳 定 输 出 电 压 的 一 种 电 源 ， 开 关 电 源 一 般 由 脉 冲 宽 度 调 制（ PWM） 控 制 IC 和 MOS

19、FET 构 成 。 开 关 电 源 和 线 性 电 源 相 比 ， 二 者 的 成 本 都 随 着 输 出 功 率的 增 加 而 增 长 ， 但 二 者 增 长 速 率 各 异 。 线 性 电 源 成 本 在 某 一 输 出 功 率 点 上 ， 反 而 高 于 开 关电 源 ， 这 一 成 本 反 转 点 。 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 和 创 新 ， 使 得 开 关 电 源 技 术 在 不 断 地 创2新 ， 这 一 成 本 反 转 点 日 益 向 低 输 出 电 力 端 移 动 ， 这 为 开 关 电 源 提 供 了 广 泛 的 发 展 空 间 。电 力 电 子 技 术 的

20、 不 断 创 新 ， 使 开 关 电 源 产 业 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。 要 加 快 我 国 开 关 电源 产 业 的 发 展 速 度 ， 就 必 须 走 技 术 创 新 之 路 ， 走 出 有 中 国 特 色 的 产 学 研 联 合 发 展 之 路 ， 为我 国 国 民 经 济 的 高 速 发 展 做 出 贡 献 。人 们 在 开 关 电 源 技 术 领 域 是 边 开 发 相 关 电 力 电 子 器 件 ， 边 开 发 开 关 变 频 技 术 ， 两 者 相互 促 进 推 动 着 开 关 电 源 每 年 以 超 过 两 位 数 字 的 增 长 率 向 着 轻 、 小 、 薄

21、 、 低 噪 声 、 高 可 靠 、抗 干 扰 的 方 向 发 展 。 开 关 电 源 可 分 为 AC/DC 和 DC/DC 两 大 类 ， 也 有 AC/AC DC/AC 如 逆变 器 DC/DC 变 换 器 现 已 实 现 模 块 化 ， 且 设 计 技 术 及 生 产 工 艺 在 国 内 外 均 已 成 熟 和 标 准 化 ，并 已 得 到 用 户 的 认 可 ， 但 AC/DC 的 模 块 化 ， 因 其 自 身 的 特 性 使 得 在 模 块 化 的 进 程 中 ， 遇到 较 为 复 杂 的 技 术 和 工 艺 制 造 问 题 。当 今 软 开 关 技 术 使 得 DC/DC 发

22、生 了 质 的 飞 跃 ， 美 国 VICOR 公 司 设 计 制 造 的 多 种 ECI软 开 关 DC/DC 变 换 器 ， 其 最 大 输 出 功 率 有 300W、 600W、 800W 等 ， 相 应 的 功 率 密 度 为(6.2、 10、 17)W/cm3， 效 率 为 （ 80 90） 。 日 本 NemicLambda 公 司 最 新 推 出 的 一 种 采用 软 开 关 技 术 的 高 频 开 关 电 源 模 块 RM 系 列 ， 其 开 关 频 率 为 （ 200 300)kHz， 功 率 密 度已 达 到 27W/cm3， 采 用 同 步 整 流 器 （ MOSFET

23、代 替 肖 特 基 二 极 管 ） ， 使 整 个 电 路 效 率 提 高到 90 。模 块 化 是 开 关 电 源 发 展 的 总 体 趋 势 ， 可 以 采 用 模 块 化 电 源 组 成 分 布 式 电 源 系 统 ， 可 以设 计 成 N 1 冗 余 电 源 系 统 ， 并 实 现 并 联 方 式 的 容 量 扩 展 。 针 对 开 关 电 源 运 行 噪 声 大 这 一缺 点 ， 若 单 独 追 求 高 频 化 其 噪 声 也 必 将 随 着 增 大 ， 而 采 用 部 分 谐 振 转 换 电 路 技 术 ， 在 理 论上 即 可 实 现 高 频 化 又 可 降 低 噪 声 ， 但

24、部 分 谐 振 转 换 技 术 的 实 际 应 用 仍 存 在 着 技 术 问 题 ， 故仍 需 在 这 一 领 域 开 展 大 量 的 工 作 ， 以 使 得 该 项 技 术 得 以 实 用 化 。 【 5】目 前 ， 开 关 电 源 以 小 型 、 轻 量 和 高 效 率 的 特 点 被 广 泛 应 用 于 以 电 子 计 算 机 为 主 导 的 各种 终 端 设 备 、 通 信 设 备 等 几 乎 所 有 的 电 子 设 备 ， 是 当 今 电 子 信 息 产 业 飞 速 发 展 不 可 缺 少 的一 种 电 源 方 式 。 目 前 市 场 上 出 售 的 开 关 电 源 中 采 用 双

25、 极 性 晶 体 管 制 成 的 100kHz、 用MOS-FET 制 成 的 500kHz 电 源 ， 虽 已 实 用 化 ， 但 其 频 率 有 待 进 一 步 提 高 。 要 提 高 开 关 频 率 ，就 要 减 少 开 关 损 耗 ， 而 要 减 少 开 关 损 耗 ， 就 需 要 有 高 速 开 关 元 器 件 。 然 而 ， 开 关 速 度 提 高后 ， 会 受 电 路 中 分 布 电 感 和 电 容 或 二 极 管 中 存 储 电 荷 的 影 响 而 产 生 浪 涌 或 噪 声 。 这 样 ， 不仅 会 影 响 周 围 电 子 设 备 ， 还 会 大 大 降 低 电 源 本 身

26、的 可 靠 性 。 其 中 ， 为 防 止 随 开 关 启 -闭所 发 生 的 电 压 浪 涌 ， 可 采 用 R-C 或 L-C 缓 冲 器 ， 而 对 由 二 极 管 存 储 电 荷 所 致 的 电 流 浪 涌可 采 用 非 晶 态 等 磁 芯 制 成 的 磁 缓 冲 器 。 不 过 ， 对 1MHz 以 上 的 高 频 ， 要 采 用 谐 振 电 路 ，以 使 开 关 上 的 电 压 或 通 过 开 关 的 电 流 呈 正 弦 波 ， 这 样 既 可 减 少 开 关 损 耗 ， 同 时 也 可 控 制 浪涌 的 发 生 。 这 种 开 关 方 式 称 为 谐 振 式 开 关 。 目 前

27、对 这 种 开 关 电 源 的 研 究 很 活 跃 ， 因 为采 用 这 种 方 式 不 需 要 大 幅 度 提 高 开 关 速 度 就 可 以 在 理 论 上 把 开 关 损 耗 降 到 零 ， 而 且 噪 声 也小 ， 可 望 成 为 开 关 电 源 高 频 化 的 一 种 主 要 方 式 。 当 前 ， 世 界 上 许 多 国 家 都 在 致 力 于 数 兆 Hz的 变 换 器 的 实 用 化 研 究 。开 关 电 源 的 发 展 方 向 是 高 频 、 高 可 靠 、 低 耗 、 低 噪 声 、 抗 干 扰 和 模 块 化 。 由 于 开 关 电源 轻 、 小 、 薄 的 关 键 技

28、术 是 高 频 化 ， 因 此 国 外 各 大 开 关 电 源 制 造 商 都 致 力 于 同 步 开 发 新 型高 智 能 化 的 元 器 件 ， 特 别 是 改 善 二 次 整 流 器 件 的 损 耗 ， 并 在 功 率 铁 氧 体 （ Mn?Zn)材 料 上加 大 科 技 创 新 ， 以 提 高 在 高 频 率 和 较 大 磁 通 密 度 （ Bs)下 获 得 高 的 磁 性 能 ， 而 电 容 器 的小 型 化 也 是 一 项 关 键 技 术 。 SMT 技 术 的 应 用 使 得 开 关 电 源 取 得 了 长 足 的 进 展 ， 在 电 路 板3两 面 布 置 元 器 件 ， 以

29、确 保 开 关 电 源 的 轻 、 小 、 薄 。 开 关 电 源 的 高 频 化 就 必 然 对 传 统 的PWM 开 关 技 术 进 行 创 新 ， 实 现 ZVS、 ZCS 的 软 开 关 技 术 已 成 为 开 关 电 源 的 主 流 技 术 ， 并 大幅 提 高 了 开 关 电 源 的 工 作 效 率 。 对 于 高 可 靠 性 指 标 ， 美 国 的 开 关 电 源 生 产 商 通 过 降 低 运 行电 流 ， 降 低 结 温 等 措 施 以 减 少 器 件 的 应 力 ， 使 得 产 品 的 可 靠 性 大 大 提 高 。 6开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，

30、并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。4第 1 章 绪论开关电源的出现是电源发展过程中出现的一次巨大飞跃。从线性电源向开关模式电源的转换使电源的平均效率从 50%提高到 80%。开关电源自从上世纪 60 年代问世以来，就在各个领域得到了广泛的应用。 7如今的日常生活中，最常见的开关电源包括个人电脑里的 ATX 电源和各种设备的充电器。开关电源中的种类繁多，但主要的组成部分包括:PWM 比较器、功率开关管、变压器（电感）和反馈电路。下图显示的是最原始的 Buck

31、 变换器。其输入的是较高电压的直流电，输出是降压后的较低电压。功率管开启时，电流通过电感流到次级，功率管关闭时，电感电流不能突变，电流通过续流二极管流到次负载。通过在负载端的反馈电路，把输出电压的变化反馈到 PWM 控制器上，而 PWM 控制电路根据反馈过来的电压值的大小来决定功率管开、关时间的长短，从而将输出电压维持在一个稳定的值上。也就是说，通过快速地（一般 PWM 的开关频率是从几十 KHz 到 1MHz 之间）开、关功率管，并由功率开、关时间的长短即占空比来调整送住负载端的能量，从而提供一个持续稳定的输出电压。图 1.1 最原始的 Buck 变换器随着节能环保越来越受到人们的重视， “

32、绿色”的概念也逐渐深入人心。近来人们把“绿色”的概念引入了电源领域。各电源厂商和电源 IC 厂商纷纷推出自己的“绿色”电源和“绿色”电源 IC 产品并大力宣传“绿色”的概念。例如 PI 公司对其 EcoSmart 节能技术的宣传,公司的“绿色空间”网页有一个计数器正在即时显示 1998 年以来，采用该公司EcoSmart 绿色节能芯片技术的电源产品正在为全球消费者节省的电费金额。EcoSmart 节能技术使能源得到更有效的利用,可实现环保设计。省略周期和频率减半等功能可以显著地降低能耗,特别是在待机和空载的条件下。这种特性使得很多电子产品可以达到甚至超过如Energy Star、Blue An

33、gel、Energy 2000 之类的通用节能标准。 8尽管如此电源领域的“绿色”仍是一个模糊概念。通常认为， “绿色”开关电源至少应该满足以下三个方面：首先是器件的材料以及化学物质要环保，这一点业界已达成共识，目前很多供应商都已采用无铅工艺或符合 RoHS；其次，就是待机和空载时候系统应实现低功耗，能满足绿色环保标准如 Energy Star、BlueAngle；第三点就是 MOSFET 开和关过程的功耗要控制好。具体表现在高功率因数，低谐波畸变，高效节能，稳定可靠，并对电磁干扰(EMI)和电磁辐射具有非常高的抑制能力。 9“绿色”开关电源控制 IC 是指集成了使电源系统达到“绿色”标准功能的控制器集成5电路。上文所提到的第二、三点即低待机功耗和好的开和关过程控制通常都由“绿色”开关电源控制 IC 完成。另外， “绿色”开关电源控制 IC 还应该有软启动电路和完善的各保护电路，包括过载保护、过压保护、欠压锁定、过流保护、过温保护等，使芯片在任何可预见的恶劣情况下都能使保护电源系统和芯片本身。